Газопламенное напыление и металлизация
Нагрев присадочного материала при газопламенном напылении и металлизации осуществляется за счет теплоты, выделяемой в результате сгорания различных горючих газов (ацетилена, пропан-бутана, природного газа и др.) в среде кислорода. Из горючих газов наибольшее применение получил ацетилен, сгорание которого в смеси с кислородом позволяет получать температуру пламени порядка 3100-3200 °С, что на 500-800 °С выше температуры его заменителей (табл. 3.5).
Типы пламени
В зависимости от соотношения горючего вещества и кислорода газовое пламя подразделяют на:
- окислительное - с избытком кислорода;
- нормальное - при паритетном соотношении горючего вещества и кислорода;
- восстановительное - с избытком горючего газа.
Тип газового пламени, используемый при напылении, выбирается в зависимости от химического состава напыляемого металла (табл. 3.6).
Таблица 3.5. Термодинамические характеристики газовых смесей.
|
Параметры |
Горючий газ |
||||
|
Ацетилен |
Водород |
Метан |
Пропан |
Бутан |
|
|
Теплотворная способность, кДж/м3 |
52 800 |
10 060 |
33 520 |
87 150 |
116 480 |
|
Температура пламени в смеси с кислородом, °С |
3100-3200 |
2100-2500 |
2000-2700 |
2400-2700 |
2400-2700 |
|
Удельный расход кислорода, м^м3 |
2,5 |
0,5 |
2,03 |
5,15 |
6,8 |
Мощность пламени выбирают в зависимости от размеров детали. При напылении стальных деталей применяют восстановительное (нормальное) или науглероживающее (с небольшим избытком ацетилена) пламя. Перед началом напыления деталь подогревают до температуры 50-100 °С. В процессе напыления необходимо следить, чтобы поверхность напыляемой детали не нагревалась выше 250 °С. Температуру можно контролировать с помощью термочувствительных карандашей.
По виду присадочного материала газопламенное напыление и металлизацию подразделяют на:
- металлизацию стержневыми присадочными материалами;
- порошковое напыление.
Проволочные распылители
Первый газопламенный проволочный распылитель разработал в 1913 г. М.У. Шооп. Стержневой присадочный материал с помощью механизма подачи направляется через центральное отверстие горелки в высокотемпературную зону пламени, где нагревается до температуры плавления. Полученная капля жидкого металла с его торца распыляется сжатым воздухом и в виде мелких частиц переносится на поверхность детали (рис. 3.6).
Таблица 3.6. Характеристики газопламенного напыления.
|
Распыляемый материал |
Дистанция напыления, мм |
Вид пламени |
|
|
Ручное |
Механизированное |
||
|
Нержавеющая сталь |
80-150 |
150-250 |
Нейтральное |
|
Высокоуглеродистая сталь |
180-200 |
250-300 |
Нейтральное |
|
Бронза |
100-150 |
180-250 |
Слегка окислительное |
|
Алюминий |
100-150 |
180-250 |
Слегка восстановительное |
|
Цинк |
280-360 |
400-500 |
Нейтральное |
|
Молибден |
80-130 |
200-300 |
10% - окислительное |
Рис. 3.6. Схема проволочного распылителя:
1 - воздушное сопло; 2 - газовое сопло; 3 - пруток; 4 - направляющая трубка.
В качестве стержневого присадочного материала используют прутки, проволоки и шнуровые материалы.
Прутковые материалы используются при напылении керамики. Прутки изготавливают из оксидов или карбидов металлов со связующим на жидком стекле диаметром до 8,0 мм. Содержание частиц твердых фаз в прутке может достигать 95 %. При нагреве прутка связующее выгорает, а зерна твердой фазы подаются на поверхность изделия. Основным недостатком использования керамики является прерывистость процесса, влияющая на качество поверхности покрытия. Наряду с прутковыми материалами используются и трубчатые полые стержни, заполненные зерновым релитом.
Распылитель для прутковых материалов имеет дополнительное воздушное сопло, направляющее воздух в радиальном направлении в зону плавления керамического стержня, где осевая скорость частиц невелика. «Загибающий» воздух дробит относительно крупные (100-160 мкм) расплавленные частицы на более мелкие (20-40 мкм) и направляет их под углом 45-50° к поверхности изделия. Дистанция напыления составляет 50 мм. Осевое расположение распылителя и малая дистанция напыления позволяли наносить покрытия на внутреннюю поверхность трубы диаметром 100 мм. Проволока для напыления применяется диаметром от 0,8 до 2,0 мм и изготавливается из различных материалов (коррозионно-стойкие и углеродистые стали, латуни, бронзы, баббиты, Al, Cu, Mo, Zn, Sn, Pb, сплавы на никелевой и кобальтовой основах). Производительность напыления и металлизации проволокой из цветных металлов - до 15 кг/ч, из стали и сплавов - до 9 кг/ч. Расход кислорода - 50 л/мин, расход ацетилена или пропана - до 20 л/мин. Давление воздуха - 0,5 МПа.
При газопламенном проволочном напылении в получаемом покрытии содержится меньше оксидов, чем при порошковом напылении. Это имеет особо важное значение для получения коррозионно-стойких покрытий с низкой пористостью. Для снижения степени окисления присадочного материала камеру сгорания приближают к выходному отверстию сопла. Однако относительно малая скорость движения частиц при газопламенном напылении проволокой не обеспечивает формирования высокоплотного покрытия.
В последние десятилетия наряду с проволоками все большее применение находят шнуровые присадочные материалы. Прочность и эластичность гибких шнуров позволяет пользоваться ими так же, как и проволокой и наносить покрытия с помощью газопламенных аппаратов проволочного типа.
Шнуровые материалы состоят из органического связующего, составляющего оболочку, и порошкового наполнителя, включающего высокотвердые компоненты и соединения, обеспечивающие протекание экзотермических реакций и синтезирование новых фаз в процессе напыления. Это позволяет повысить показатели адгезионной и когезионной прочности.
В шнуровых материалах используют порошковые наполнители на основе самофлюсующихся сплавов систем Ni(Co)-Cr-B-Si и в смесях с карбидом вольфрама или оксидами алюминия, титана, хрома, циркония. Шнуры производятся диаметром от 4,0 и 7,0 мм и размером зерен литого карбида вольфрама в диапазоне от 0,1 до 2,5 мм, причем для конкретных видов изнашивания применяются специальные комбинации мелкозернистого и крупнозернистого карбида вольфрама. Равномерное распределение зерен карбидов в порошковом шнуре обеспечивает наиболее благоприятное их расположение на напыляемой поверхности, что приводит к повышению износостойкости наплавленного слоя (рис. 3.7).
Матрица наплавленного слоя, представляющая собой никелевый самофлюсущийся сплав системы Ni-Cr-B-Si, обеспечивает хорошее смачивание зерен карбидов, обладает низкой температурой плавления (950-1050 °С), имеет высокую текучесть и отличается высокой стойкостью к воздействию кислот, щелочей и других коррозионно-активных сред.
Рис. 3.7. Технология ручной газопламенной наплавки шнурового материала «Сфекорд-HR».
Порошковый распылитель
Напыление порошками позволяет в широких пределах регулировать состав наносимых покрытий. В зависимости от места подвода порошка в горелку и его транспортирования в зону пламени газопорошковое напыление подразделяют на два способа.
- Порошок из питателя (рис. 3.8) поступает в центральный канал горелки, захватывается транспортирующим газом и подается в факел ацетиленокислородного пламени, струей которого оплавляется и направляется на поверхность детали, образуя заданный слой покрытия.
Рис. 3.8. Схема газопламенного напыления с вводом порошка в зону пламени транспортирующим газом:
1 - сопло; 2 - пламя; 3 - покрытие; 4 - деталь; 5 - кислород и горючий газ; 6 -транспортирующий газ; 7 - напыляемый порошок
Порошковая струя окружена кольцом пламени. При перемешивании струй пламени и газопорошковой взвеси происходит теплообмен. Частицы нагреваются до температуры плавления и переносятся на поверхность детали.
- Порошок из бункера (рис. 3.9) подается с внешней стороны мундштука в зону пламени, где его частицы оплавяются и направляются газовым потоком на поверхность напыляемой детали.
Применение при первом способе напыления транспортирующего газа, обычно инертного, для подачи порошка позволяет уменьшить его окисление, однако усложняется схема подачи и конструкция газовой горелки. Второй способ характеризуется большей простотой оборудование и облегчается выбор оптимального режима.
Наиболее качественные покрытия получаются при первоначальном напылении подслоя термореагирующим порошком толщиной 0,05-0,15 мм, а затем основного слоя износостойким порошковым сплавом толщиной 2 мм. Подслой и основной слой наносят при одних и тех же режимах напыления:
- давление кислорода 0,35-0,45 МПа;
- давление ацетилена 0,03-0,05 МПа;
- расход кислорода 960-1100 л/ч;
- расход ацетилена 900-1000 л/ч;
- расстояние от среза сопла мундштука до наплавляемой поверхности 160-200 мм;
- продольная подача 3-5 мм/об;
- расход порошка 2,5-3 кг/ч.
Рис. 3.9. Схема газопламенного напыления с внешним вводом порошка.
Процесс газопламенного напыления можно проводить с одновременным оплавлением, что возможно лишь газовым пламенем. Плазменная струя из-за интенсивного неравномерного нагрева напыленного слоя не обеспечивает получения качественного покрытия. Напыление с одновременным оплавлением рекомендуется выполнять в такой последовательности:
- подогреть всю деталь до температуры 250-300 °С;
- на восстанавливаемые поверхности для их защиты от последующего окисления напылить слои толщиной 0,2-0,3 мм;
- напыленный участок поверхности нагреть до состояния «запотевания», что характерно для процесса оплавления;
- на предварительно оплавленный слой нанести новый, доводя его до состояния оплавления.
В процессе оплавления важно не допустить перегрева напыленного слоя до состояния жидкой ванны, а после оплавления обеспечить медленное охлаждение детали (в песке, асбесте, печи). Перегрев приводит к стеканию металла, образованию пор, а быстрое охлаждение - к возникновению трещин, к отслаиванию. Для восстановления деталей этим способом наиболее рационально применять порошковые сплавы ПГ-ЮН-01, ПГ-ЮН-03, ПГ-СРЗ, ПГ-СР4. Толщина напыленного слоя может доходить до 3 мм.
Высокоскоростное напыление
Высокоскоростное газопламенное напыление появилось в начале 80-х годов прошлого века и характеризуется скоростью газового потока до 1000 м/с. Плотность покрытий достигает 99 %. Увеличение скорости частиц при меньшей их температуре позволило снизить уровень окисленности напыляемого металла и повысить плотность порошкового покрытия. В качестве наносимого материала используют порошки карбидов, металлокарбидов, сплавов на основе Ni, Cu и др. Для увеличения скорости частиц увеличивают скорость истечения продуктов сгорания путем повышения давления в камере сгорания до 1,0—1,5 МПа. На рис. 3.10 представлена схема высокоскоростного распылителя системы ВСН.
Рис. 3.10. Схема высокоскоростного порошкового распылителя:
1 - подача порошка (осевая); 2 - подача кислорода; 3 - подача топлива; 4 - подача порошка (радиальная); 5 - ствол.
Рис. 3.11. Сопла распылителя:
а - цилиндрическое; б - расширяющееся (сопло Лаваля)
В порошковых распылителях ВСН первого и второго поколений использовалось цилиндрическое сопло (рис. 3.11, а), а затем в конструкции соплового аппарата стало использоваться сопло Лаваля (рис. 3.11, б).
Для систем первого поколения давление в камере сгорания составляло 0,3-0,5 МПа, скорость частиц - 450 м/с для порошковых смесей системы WC-Co с грануляцией 10-45 мкм. Для систем второго поколения давление в камере сгорания повысилось до 0,6-1,0 МПа, что привело к увеличению скорости движения частиц до 600-650 м/с. Расход порошка составил 10 кг/ч. В системах третьего поколения с применением расширяющихся профильных сопел Лаваля расход порошка достигает 18 кг/ч.
Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:- Защита металла от коррозии
- Предельно допустимые концентрации ионов цинка в воде
- Технология удаления цинка из кислоты ванн травления
- История горячего цинкования
- Зависимость толщины покрытия от скорости погружения в ванну
